專利名稱：一種自動(dòng)化顯微操作裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種顯微操作裝置。
技術(shù)背景精度達(dá)到微納級(jí)的操作被稱為顯微操作，顯微操作已廣泛應(yīng)用在集成電路檢測(cè)、貼片與 封裝、電子制造等裝備以及生命科學(xué)儀器中，例如美國(guó)Sutter公司和德國(guó)愛(ài)本德公司(Eppendorf)就是兩家著名的生產(chǎn)顯微操作儀的公司。國(guó)內(nèi)也有多家高校研制顯微操作儀， 如北京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。但現(xiàn)有顯微操作裝置都不能進(jìn)行自動(dòng) 化操作，如Sutter公司和Eppendof公司的生物顯微操作儀都采用計(jì)算機(jī)圖像監(jiān)視操作過(guò)程，由 操作人員用手柄控制機(jī)械手完成操作，日本富士公司(Fujitsu)已經(jīng)研制出了自動(dòng)化顯微操 作儀，但技術(shù)上沒(méi)有公開(kāi)。國(guó)內(nèi)主要對(duì)顯微操作儀核心部件機(jī)械手進(jìn)行開(kāi)發(fā)，已有多家單位 開(kāi)發(fā)出了精度在2微米左右的機(jī)械手，相關(guān)自動(dòng)化顯微操作研究也正在開(kāi)展?，F(xiàn)在，國(guó)外有多 家高校正在開(kāi)展自動(dòng)化顯微操作儀的研制，如日本的東京大學(xué)、加拿大的多倫多大學(xué)、新加 坡國(guó)立大學(xué)以及香港的城市大學(xué)等，自動(dòng)化顯微操作的核心是對(duì)機(jī)械手進(jìn)行視覺(jué)跟蹤控制， 到目前為止還沒(méi)有一種好的視覺(jué)跟蹤方法?，F(xiàn)有兩種視覺(jué)跟蹤方法，基于位置的視覺(jué)跟蹤和基于圖像的視覺(jué)跟蹤，前者速度快，但 系統(tǒng)需要精確標(biāo)定；后者不需要精確標(biāo)定，但速度慢、設(shè)備成本高。高速自動(dòng)化是顯微操作 追求的目標(biāo)，問(wèn)題的核心是能否采用一種好的標(biāo)定方法完成系統(tǒng)的精確標(biāo)定，從而采用基于 位置的視覺(jué)跟蹤方法，利用它速度快的優(yōu)點(diǎn)，滿足未來(lái)設(shè)備高速自動(dòng)化的要求。以下給出現(xiàn)有方法的比較。圖1是各種方法比較，圖中{<:}代表視覺(jué)系統(tǒng)坐標(biāo)，{J)代表機(jī)械手坐標(biāo)，/代表{<:}與{71 間的映射，W代表誤差矩陣。在基于位置的視覺(jué)跟蹤中，如圖1所示，由于進(jìn)行了系統(tǒng)的精 確標(biāo)定，{(7}的坐標(biāo)與{7}坐標(biāo)嚴(yán)格平行，若要求沿y軸走一直線"6，則通過(guò)/，可計(jì)算出機(jī) 械手在(J)空間需走AB距離。這時(shí)視覺(jué)系統(tǒng)只需要進(jìn)行一次圖像處理，計(jì)算"&實(shí)際長(zhǎng)度AB。 在基于圖像的視覺(jué)跟蹤中，見(jiàn)圖2，由于未進(jìn)行系統(tǒng)的精確標(biāo)定，{<7}與{7}不平行，如果要 求沿y軸走一直線W，則機(jī)械手將沿r軸運(yùn)動(dòng)，由于坐標(biāo)的不平行，在圖像上，運(yùn)動(dòng)軌跡將 偏離"&，為了使機(jī)械手在圖像上的軌跡沿a6運(yùn)動(dòng)，必須調(diào)整機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方向，調(diào)整的位置和方向，由偏離a&的誤差通過(guò)圖像處理確定，所以視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)必須對(duì)圖像進(jìn)行連續(xù)處理， 機(jī)械手實(shí)際軌跡在圖像上是不規(guī)范的Z字形，如果圖像采樣頻率設(shè)置不好，該軌跡將產(chǎn)生振 蕩。為了克服上述問(wèn)題，增加一誤差矩陣，見(jiàn)圖3所示，將(J)調(diào)整到與K^平行，{^}與{7} 的誤差被調(diào)整到W中。這樣，不要求對(duì)硬件進(jìn)行位置調(diào)整，利用軟件標(biāo)定就可以保證兩坐標(biāo) 系之間的平行。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)標(biāo)定精度收斂速度快， 一次標(biāo)定就可以使誤差限制 在2個(gè)像素內(nèi)。誤差矩陣標(biāo)定如圖4所示，在圖4中，Z^,z,和Z^義^分別為機(jī)械手坐標(biāo)和視覺(jué)系統(tǒng)坐標(biāo)，機(jī)械手沿JCt走的距離為t/，當(dāng)機(jī)械手坐標(biāo)與視覺(jué)系統(tǒng)坐標(biāo)重合時(shí)，r映射到視覺(jué)空 間的距離為X，實(shí)際情況是機(jī)械手坐標(biāo)與視覺(jué)系統(tǒng)坐標(biāo)不重合，映射到視覺(jué)空間的距離為 /仏這樣/l/與AT間就存在誤差，該誤差為AAT。如果能有一種好的方法求出M，則可以將 機(jī)械手走的實(shí)際位移映射成JV，從而實(shí)際距離與理論距離AT重合。在/￡/中乘上一個(gè)誤差矩 陣『，變?yōu)?lt;/^仏實(shí)際上可以理解為對(duì)Jl/進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，并使JWT/的模和AX的模相等， 也即AAT=J T7，這樣就可以得到X=/t/+AA:=Jt/+JffT/=<^7+ 9仏利用AA^JFH7方程，讓機(jī)械手走三個(gè)點(diǎn)，就可以得到三組t/和三組AAT，從而解出3><3 的矩陣W。將解得的誤差矩陣『帶入義=/(/+^^方程，就可以消除機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)誤差，控 制機(jī)械手按理論距離X運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上要使機(jī)械手軌跡與理論軌跡重合，機(jī)械手不僅沿Xt走Jt/ 距離，還需沿少t走^(guò)距離，沿zt走l距離，補(bǔ)償誤差距離AAT，上述距離JT和丄由W矩陣生 成，見(jiàn)圖5所示。由于視覺(jué)系統(tǒng)與機(jī)械手系統(tǒng)存在誤差，精確的映射矩陣/很難得到，那么不精確的/是 否會(huì)影響誤差矩陣的標(biāo)定結(jié)果？設(shè)/'是另一個(gè)映射矩陣，見(jiàn)圖4所示，它將機(jī)械手運(yùn)動(dòng)l/映 射成視覺(jué)空間的/，lA形成的誤差是AAT，。不同的/只是引起機(jī)械手在圖像上實(shí)際位置的變 化，即引起AA:變化，并不引起AT變化。設(shè)置誤差矩陣的目的就是將機(jī)械手在圖像上實(shí)際運(yùn) 動(dòng)軌跡調(diào)整到與AT重合。不同的AA:l吏得求取的誤差矩陣fF是不同的，可以確定，不精確的 /并不會(huì)影響標(biāo)定結(jié)果，通過(guò)不同的誤差矩陣^，不精確的/可以被補(bǔ)償，從而使得機(jī)械手 在視覺(jué)空間的實(shí)際軌跡與理論軌跡嚴(yán)格重合。利用這一特性，就可以在誤差矩陣標(biāo)定前進(jìn)行 /的計(jì)算，雖然該值的標(biāo)定結(jié)果并不精確，但并不影響后面的誤差矩陣標(biāo)定，這說(shuō)明該方法 具有很強(qiáng)的魯棒性，并且一次標(biāo)定，在理論上可以完全消除誤差。王會(huì)香等(王會(huì)香，陳立國(guó)，孫立寧.生物顯微切割微操作儀的設(shè)計(jì)與研制.光學(xué)精密工 程，2006， 14 (3): 416-421)報(bào)道了有關(guān)生物顯微切割微操作儀的設(shè)計(jì)與研制，席文明等(席 文明，鐘輝，郭阿全，孫道恒.細(xì)胞注射顯微系統(tǒng)的空間精確定位方法研究.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007， 41(7): 829-832)報(bào)道了有關(guān)細(xì)胞注射顯微系統(tǒng)的空間精確定位方法研究。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有的顯微操作裝置所存在的顯微操作效率較低、速度較慢等不 足，提供一種效率較高、速度較快、自動(dòng)化程度較高的自動(dòng)化顯微操作裝置。本發(fā)明設(shè)有頂視覺(jué)系統(tǒng)、CCD攝像頭、側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)械手、轉(zhuǎn)鏡、連接線和控制計(jì)算 機(jī)。頂視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)連接線與控制計(jì)算機(jī)連接，設(shè)于側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)上的CCD攝像頭通過(guò)連接線 與控制計(jì)算機(jī)連接，機(jī)械手設(shè)于頂視覺(jué)系統(tǒng)下方，轉(zhuǎn)鏡設(shè)于側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)下方。頂視覺(jué)系統(tǒng)的 功能是確定機(jī)械手上抓取的物體在矽平面的位置，并將該位置通過(guò)頂視覺(jué)系統(tǒng)的顯微鏡和 CCD攝像頭成像后，傳輸給控制計(jì)算機(jī)。側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)的功能是確定機(jī)械手上抓取的物體在z (光軸)方向的位置，并將該位置通過(guò)側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)的顯微鏡和CCD攝像頭成像后，傳輸給控 制計(jì)算機(jī)。這樣，通過(guò)頂視覺(jué)系統(tǒng)和側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)就可以獲得物體三維位置信息，從而可以通 過(guò)控制計(jì)算機(jī)，利用圖像控制機(jī)械手的自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)。為了增加機(jī)械手的操作空間，利用一轉(zhuǎn) 鏡5將側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)變?yōu)榇怪狈胖谩Ｔ诒景l(fā)明所述自動(dòng)化顯微操作裝置中，由于頂視覺(jué)系統(tǒng)、側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)和機(jī)械手存在各自 的坐標(biāo)系統(tǒng)，而這些坐標(biāo)系統(tǒng)是不平行的，這樣就不能在控制計(jì)算機(jī)中精確控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)， 可采用誤差矩陣自標(biāo)定技術(shù)對(duì)頂視覺(jué)系統(tǒng)、側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)和機(jī)械手坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，使之互相平 行，這種標(biāo)定技術(shù)并不需要對(duì)頂視覺(jué)系統(tǒng)、側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)和機(jī)械手進(jìn)行實(shí)際位置調(diào)整，而是在 控制程序中設(shè)置誤差矩陣，用該矩陣補(bǔ)償頂視覺(jué)系統(tǒng)、側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)和機(jī)械手的不平行。整個(gè) 標(biāo)定過(guò)程由軟件自動(dòng)完成，只需要控制機(jī)械手在控制計(jì)算機(jī)的屏幕上走3個(gè)點(diǎn)，就可以完成 系統(tǒng)的精確標(biāo)定，標(biāo)定后，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)誤差控制在3個(gè)像素內(nèi)。完成標(biāo)定后，可以在控制 計(jì)算機(jī)中以點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)形式控制機(jī)械手在三維空間精確運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行自動(dòng)化顯微操作。


圖1為基于位置視覺(jué)跟蹤概念的誤差矩陣自標(biāo)定概念形成圖。圖2為基于圖像視覺(jué)跟蹤概念的誤差矩陣自標(biāo)定概念形成圖。圖3為誤差矩陣自標(biāo)定概念形成圖。圖4為誤差矩陣的計(jì)算原理。圖5為機(jī)械手實(shí)際軌跡。圖6為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖7為視覺(jué)系統(tǒng)組成原理圖。圖8為視覺(jué)系統(tǒng)確定二維空間位置示意圖。圖9為聚焦技術(shù)獲取z位置示意圖。'圖10為側(cè)視覺(jué)獲得z向位置示意圖(圖像易移出視場(chǎng))。圖11為由對(duì)刀位置和機(jī)械手運(yùn)動(dòng)距離確定z向位置示意圖。
具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。參見(jiàn)圖6，本發(fā)明設(shè)有頂視覺(jué)系統(tǒng)l、 CCD攝像頭2、側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)3、機(jī)械手4、轉(zhuǎn)鏡5、 連接線6和控制計(jì)算機(jī)7。頂視覺(jué)系統(tǒng)1通過(guò)連接線6與控制計(jì)算機(jī)7連接，設(shè)于側(cè)視覺(jué)系 統(tǒng)3上的CCD攝像頭2經(jīng)連接線6與控制計(jì)算機(jī)7連接，機(jī)械手4設(shè)于頂視覺(jué)系統(tǒng)1下方， 轉(zhuǎn)鏡5設(shè)于側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)3下方。頂視覺(jué)系統(tǒng)1的功能是確定機(jī)械手4上抓取的物體在jc;;平面 的位置，并將該位置經(jīng)頂視覺(jué)系統(tǒng)l的顯微鏡和CCD攝像頭成像后，傳輸給控制計(jì)算機(jī)7。 側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)3的功能是確定機(jī)械手4上抓取的物體在z (光軸)方向的位置，并將該位置經(jīng)側(cè) 視覺(jué)系統(tǒng)3的顯微鏡和CCD攝像頭成像后，傳輸給控制計(jì)算機(jī)7。通過(guò)頂視覺(jué)系統(tǒng)1和側(cè)視 覺(jué)系統(tǒng)3就可以獲得物體三維位置信息，從而可以通過(guò)控制計(jì)算機(jī)7，利用圖像控制機(jī)械手4 的自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)。為了增加機(jī)械手4的操作空間，利用轉(zhuǎn)鏡5將側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)3變?yōu)榇怪狈胖?。以下給出側(cè)視覺(jué)概念有關(guān)的說(shuō)明，參見(jiàn)圖7 11?，F(xiàn)有系統(tǒng)大多采用基于圖像的視覺(jué)跟蹤方法，由于沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，機(jī)械手會(huì)沿顯微 鏡光軸方向走偏。由于圖像是二維的，見(jiàn)圖8，它只能確定矽平面的位置，不能確定z方向位 置，視覺(jué)系統(tǒng)并不能直接測(cè)量走偏量，必須采用顯微鏡聚焦方法，見(jiàn)圖9，顯微鏡聚焦的標(biāo)準(zhǔn) 是圖像的差分值達(dá)到最大，為了提高位置精度，需要進(jìn)行多次聚焦計(jì)算。另一種方法是在頂 視覺(jué)51的基礎(chǔ)上增加側(cè)視覺(jué)52，見(jiàn)圖7，但由于顯微鏡視場(chǎng)小，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)范圍大，使其很容 易運(yùn)動(dòng)到側(cè)視覺(jué)的視場(chǎng)外，見(jiàn)圖IO。由于基于圖像的視覺(jué)跟蹤方法需要連續(xù)對(duì)機(jī)械手沿顯微 鏡光軸方向走偏量進(jìn)行控制，如果機(jī)械手運(yùn)動(dòng)出視覺(jué)系統(tǒng)的視場(chǎng)，則連續(xù)位置控制不能實(shí)現(xiàn)。利用誤差矩陣進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定后，借助于誤差矩陣將視覺(jué)系統(tǒng)坐標(biāo)和機(jī)械手坐標(biāo)變換成平 行，這樣在矽平面控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)并不會(huì)帶來(lái)在z向的走偏。在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)前，利用側(cè)視覺(jué) 確定機(jī)械手的初始位置，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)后的位置由該初始位置和機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的相對(duì)位置確定， 并不需要側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)連續(xù)測(cè)量這一位置，所以，即使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到視場(chǎng)外，也可以確定其z 向位置，見(jiàn)圖ll。這一概念就象機(jī)械加工中的對(duì)刀，在加工前進(jìn)行對(duì)刀，加工時(shí)可根據(jù)對(duì)刀 尺寸以及機(jī)床進(jìn)給量確定零件加工的尺寸，所以，在這里也將側(cè)視覺(jué)稱為對(duì)刀視覺(jué)。在顯微 操作中，工作空間非常小，為了不影響機(jī)械手的工作，利用一45。斜面鏡，將對(duì)刀視覺(jué)的圖 像翻轉(zhuǎn)90°，這樣就可以將側(cè)視覺(jué)垂直放置，見(jiàn)圖7中虛線。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)化顯微操作裝置，其特征在于設(shè)有頂視覺(jué)系統(tǒng)、CCD攝像頭、側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)械手、轉(zhuǎn)鏡、連接線和控制計(jì)算機(jī)。頂視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)連接線與控制計(jì)算機(jī)連接，設(shè)于側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)上的CCD攝像頭通過(guò)連接線與控制計(jì)算機(jī)連接，機(jī)械手設(shè)于頂視覺(jué)系統(tǒng)下方，轉(zhuǎn)鏡設(shè)于側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)下方。
全文摘要
一種自動(dòng)化顯微操作裝置，涉及一種顯微操作裝置。提供一種效率較高、速度較快、自動(dòng)化程度較高的自動(dòng)化顯微操作裝置。設(shè)有頂視覺(jué)系統(tǒng)、CCD攝像頭、側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)械手、轉(zhuǎn)鏡、連接線和計(jì)算機(jī)。頂視覺(jué)系統(tǒng)經(jīng)連接線與計(jì)算機(jī)連接，設(shè)于側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)上的CCD攝像頭通過(guò)連接線與計(jì)算機(jī)連接，機(jī)械手設(shè)于頂視覺(jué)系統(tǒng)下方，轉(zhuǎn)鏡設(shè)于側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)下方。頂視覺(jué)系統(tǒng)用于確定機(jī)械手上抓取的物體在xy平面的位置，并將該位置通過(guò)頂視覺(jué)系統(tǒng)成像后傳給計(jì)算機(jī)。側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)用于確定機(jī)械手上抓取的物體在z方向的位置，并將該位置通過(guò)側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)成像后傳給計(jì)算機(jī)。通過(guò)頂、側(cè)視覺(jué)系統(tǒng)可得物體三維位置信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)，利用圖像控制機(jī)械手的自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)G01B11/00GK101598850SQ20091011225
公開(kāi)日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月24日
發(fā)明者席文明 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)